प्राथमिक और माध्यमिक विद्यालय भौतिकी · Grades 1–9

39पानी अपनी सभी अवस्थाओं में

स्कूल के दूसरे साल से ही तुम पानी का उसकी अवस्थाओं में पीछा करते आ रहे हो: बर्फ़, पानी, भाप; पिघलते बर्फ़ के पुतले और धुँधली खिड़कियाँ। इस साल यह पीछा हिसाब-किताब बन जाता है। बर्फ़ पिघलने पर क्या कोई पदार्थ खोता है? पानी जमने पर पाइप क्यों फट जाते हैं? हाथ में तुला और बेलन लेकर हम पानी की तीनों अवस्थाओं की जाँच-पड़ताल करेंगे।

39.1 तीन अवस्थाएँ, ठीक-ठीक नामों के साथ

परिभाषा 39.1 (अवस्था बदलने के छह दरवाज़े)

अपनी तीन अवस्थाओं के बीच पानी के पास छह दरवाज़े हैं, और हर एक का अपना वैज्ञानिक नाम है:

ठोस $\to$ द्रव: गलन; द्रव $\to$ ठोस: ठोसीकरण (यानी जमना);
द्रव $\to$ गैस: वाष्पन — उबाल पर गरजता हुआ तेज़, और सतह से चुपचाप तथा ठंडा हो तो वाष्पीकरण; गैस $\to$ द्रव: संघनन;
सीधे ठोस $\to$ गैस: ऊर्ध्वपातन, और सीधे गैस $\to$ ठोस — ये दरवाज़े कम ही खुलते हैं, पर सच्चे हैं: जमती हुई खिड़की पर पाले के पंख अनदेखी वाष्प से सीधे उगते हैं, और द्रव अवस्था को पूरी तरह छोड़ देते हैं।

पानी के छह दरवाज़े, अपने ठीक नामों के साथ। लाल दरवाज़े गरमी चलाती है; नीले दरवाज़े ठंड।

उदाहरण 39.2 (चारों ओर दरवाज़े)

सुबह घास से पिघलता पाला; तार पर सूखते कपड़ों का वाष्पन; ठंडे दर्पण पर संघनित होती तुम्हारे स्नान की वाष्प; कल के लिए बर्फ़ जमाता फ़्रीज़र; और रात भर में शीशे पर उगे पाले के पंख। एक ही पदार्थ, छह दरवाज़े, और सब के सब रोज़ के एक ही दिन के भीतर — इनके नाम जान लो, तो ये तुम्हारे हुए।

39.2 जाँच-पड़ताल: क्या पदार्थ खोता है?

विधि 39.3 (अवस्था के बदलाव को तौलना)

सवाल सीधे तुला के सामने रखो:

प्लास्टिक की छोटी बोतल में थोड़ा पानी डालो, ढक्कन कसकर बंद करो, और बाहर से पोंछ लो;
उसे तौलो: मान लो $368\,\mathrm{g}$ — लिख लो;
उसे रात भर फ़्रीज़र में रखो: यानी ठोसीकरण;
जमी हुई बोतल को तुरंत तौलो (बाहर लगा पाला पोंछकर)।

तुला का उत्तर: $368\,\mathrm{g}$ , ग्राम तक। उसे खिड़की की चौखट पर वापस पिघलाओ और फिर तौलो: $368\,\mathrm{g}$ । अवस्था दो बार बदली; पदार्थ ने पलक तक नहीं झपकाई।

प्रतिज्ञप्ति 39.4 (द्रव्यमान अवस्था के बदलावों को झेल जाता है)

अवस्था का बदलाव किसी पदार्थ का रूप बदलता है, उसकी मात्रा नहीं: पहले का द्रव्यमान बाद के द्रव्यमान के ठीक बराबर होता है। गलन, जमना, बंद पतीले में उबलना, संघनन — हर दरवाज़े से गुज़रने पर तुला वही पाठ देती है। (हाँ, ढक्कन खुला छोड़ दो और वाष्प अपने ग्रामों समेत उड़ जाएगी: पदार्थ तब भी मौजूद रहता है, पर तुम्हारे हिसाब-किताब में नहीं रहता।)

उदाहरण 39.5 (गड्ढे के ग्राम गए कहाँ)

$300\,\mathrm{g}$ वाला एक गड्ढा सूख जाता है। ग़ायब हो गया? भार-रहित हो गया? नहीं: $300\,\mathrm{g}$ पानी अब अनदेखी वाष्प बनकर हवा पर सवार है, एक-एक ग्राम सही-सलामत — और उसमें से कुछ अगले हफ़्ते बारिश बनकर गिरेगा। वाष्पन आँख को धोखा देता है, हिसाब-किताब को कभी नहीं। बचपन के गड्ढे वाले प्रयोग की खड़िया-रेखा एक जाँच-पड़ताल ही थी; अब उसके पास संख्याएँ भी हैं।

39.3 जाँच-पड़ताल: क्या जगह वही रहती है?

प्रतिज्ञप्ति 39.6 (जमते समय पानी फैलता है)

द्रव्यमान दरवाज़ों को झेल जाता है — आयतन नहीं। पानी एक अनोखा पदार्थ है: ठोस बनते समय वह फैल जाता है। एक लीटर पानी से लगभग $1.1$ लीटर बर्फ़ बनती है: द्रव्यमान वही, जगह लगभग दसवाँ हिस्सा ज़्यादा। ज़्यादातर पदार्थ ठोस बनते समय सिकुड़ते हैं; पानी फैलता है — और यही अनोखापन इलाक़ों के नक़्शे तक बदल देता है।

जमी हुई बोतल: तुला वही, तल ऊँचा। जमना पदार्थ को सँभाले रखता है और जगह ज़्यादा माँग लेता है।

उदाहरण 39.7 (फटा पाइप और चटकता पहाड़)

फ़्रीज़र में भूली हुई, पानी से भरी काँच की बोतल चटक जाती है: फैलती हुई बर्फ़ को अपना अतिरिक्त दसवाँ हिस्सा चाहिए ही, और वह उसे ले लेती है — काँच हो या न हो। जाड़ा यही काम नलों के साथ करता है — पाइप में जमता पानी उसे हथौड़े जितनी पक्की तरह फोड़ देता है — और पहाड़ों के साथ भी: बारिश चट्टान की दरारों में रिसती है, रात में जमती है, फैलती है, और दरार को और चौड़ा कर देती है। साल-दर-साल, पाले-दर-पाले, प्रतिज्ञप्ति 39.6 वाला वह छोटा-सा अनोखा फैलाव चट्टानें चीर देता है और चोटियाँ भुरभुरा देता है।

टिप्पणी 39.8 (बर्फ़ तैरती क्यों है)

वही अनोखापन उस सवाल का उत्तर भी दे देता है जो तुमने वर्षों पहले नहाते समय पूछा था। बर्फ़ एक लीटर का पदार्थ $1.1$ लीटर जगह में रखती है: बराबर जगह के लिए बर्फ़ पानी से हल्की है — इसलिए बर्फ़ अपने ही द्रव पर तैरती है। हिमशैल समुद्र पर सवार रहते हैं, तालाब ऊपर से नीचे की ओर जमते हैं (और नीचे की मछलियाँ बच जाती हैं), और तुम्हारी शिकंजी के टुकड़े डूबने के बजाय डोलते रहते हैं। बहुत कम पदार्थ अपने ही ऊपर तैरते हैं; जमे हुए तालाबों का जीवन ख़ुश है कि पानी ऐसा करता है।

39.4 जल-चक्र, हिसाब के साथ

उदाहरण 39.9 (वह बड़ा फेरा, शब्दावली सहित)

समुद्र, बादल और बारिश की बचपन वाली कहानी अब बही-खाते की तरह पढ़ी जाती है। सूर्य की गरमी समुद्रों से वाष्पन चलाती है — टनों-टन पानी अनदेखा ऊपर उठता है। ऊपर की ठंड में वह वाष्प बादल की बूँदों में संघनित होती है; और ठंड बढ़े तो बूँदें जमकर हिम बन जाती हैं। हिम जमा होकर हिमनद बनता है; हिमनद पिघलकर नदियाँ बनते हैं; और नदियाँ हर ग्राम समुद्र को लौटा देती हैं। पूरे चक्कर में प्रतिज्ञप्ति 39.4 टिका रहता है: ग्रह न एक बूँद कमाता है, न गँवाता — तुम्हारे गिलास का पानी यह फेरा डायनासोरों से भी पहले से लगा रहा है।

जमते शीशे पर पाले के पंख: हवा के पानी ने यह बर्फ़ रात भर में, सीधे काँच पर बना दी।

39.5 अभ्यास

अभ्यास 39.1 ★

परिभाषा 39.1 के छहों दरवाज़ों के नाम बताओ, और हर एक के साथ रोज़ का एक नज़ारा।

हल

हल — अभ्यास 39.1.

गलन (सुबह घास से पिघलता पाला); ठोसीकरण (फ़्रीज़र की बर्फ़); वाष्पन (सूखते कपड़े, उबलता पतीला); संघनन (ठंडे दर्पण पर धुंध); ऊर्ध्वपातन (सूखे पाले में सिकुड़ता हिम का ढेर); और सीधे गैस से ठोस (शीशे पर पाले के पंख)।

अभ्यास 39.2 ★

कौन-सा दरवाज़ा: भोर में ठंडी घास पर बनती ओस? $-5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ वाले धूप भरे दिन में सिकुड़ता बर्फ़ का पुतला, और नीचे कोई गड्ढा भी नहीं बनता? फ़्रीज़र को “धुएँ” से भर देते बर्फ़ के टुकड़े?

हल

हल — अभ्यास 39.2.

ओस: संघनन। बिना गड्ढा बनाए सिकुड़ता पुतला: ऊर्ध्वपातन — ठंडी सूखी हवा में ठोस सीधे वाष्प बन जाता है। फ़्रीज़र का “धुआँ”: संघनन — कमरे की वाष्प ठंडी हवा में संघनित होकर नन्हा बादल बना देती है (यानी बूँदें, गैस नहीं)।

अभ्यास 39.3 ★

पानी से भरी बंद बोतल का भार $412\,\mathrm{g}$ है। वह रात भर में ठोस जम जाती है। अब उसका भार कितना है, और कौन-सी प्रतिज्ञप्ति उत्तर देती है?

हल

हल — अभ्यास 39.3.

तब भी $412\,\mathrm{g}$ : द्रव्यमान अवस्था के बदलावों को झेल जाता है — बंद बोतल ने न कुछ खोया, न कुछ पाया।

अभ्यास 39.4 ★

विधि 39.3 में बोतल का ढक्कन बंद होना क्यों ज़रूरी है — और हर तौल से पहले उसे पोंछना क्यों?

हल

हल — अभ्यास 39.4.

ढक्कन बंद, ताकि कोई वाष्प अपने ग्रामों समेत उड़ न जाए (हिसाब बंद रहना चाहिए); और पोंछना इसलिए कि बाहर चिपका पानी या पाला ऐसे बेगाने ग्राम जोड़ देता जो कमरे के हैं, हमारे हिसाब के नहीं।

अभ्यास 39.5 ★

पानी का एक खुला पतीला दस मिनट उबलता है और उसका द्रव्यमान $200\,\mathrm{g}$ घट जाता है। क्या द्रव्यमान नष्ट हो गया? वे ग्राम कहाँ हैं?

हल

हल — अभ्यास 39.5.

नष्ट नहीं हुआ: $200\,\mathrm{g}$ पानी वाष्प बनकर रसोई की हवा में निकल गया — वाष्पन ने ग्रामों को पतीले से बाहर किया, दुनिया से बाहर नहीं।

अभ्यास 39.6 ★

एक लीटर पानी फ़्रीज़र में जाता है। बाहर लगभग कितने आयतन की बर्फ़ आती है? वही सवाल द्रव्यमान के लिए।

हल

हल — अभ्यास 39.6.

लगभग $1.1\,\mathrm{L}$ बर्फ़ — यानी दसवाँ हिस्सा ज़्यादा जगह। द्रव्यमान वही रहता है: $1\,\mathrm{kg}$ भीतर गया, $1\,\mathrm{kg}$ बाहर आया।

अभ्यास 39.7 ★

कड़ाके के जाड़ों में पानी के पाइप क्यों फट जाते हैं — और माली शरद में बाहर के नल क्यों ख़ाली करा देते हैं?

हल

हल — अभ्यास 39.7.

पाइप में फँसा पानी जमते समय फैलता है, और पाइप काँच की बोतल की तरह ही हार मान जाता है। माली शरद में नल ख़ाली करा देते हैं ताकि भीतर फैलने को कुछ बचे ही नहीं।

अभ्यास 39.8 ★

बर्फ़ पानी पर क्यों तैरती है? प्रतिज्ञप्ति 39.6 को तैरने के नियम से जोड़ो — बराबर जगह के लिए हल्की या भारी?

हल

हल — अभ्यास 39.8.

बर्फ़ एक लीटर का पदार्थ $1.1$ लीटर जगह में ठूँस देती है: बराबर जगह के लिए वह पानी से हल्की है — और बराबर-जगह-में-हल्का होना ही तैरने की शर्त है।

अभ्यास 39.9 ★★

जल-चक्र को बही-खाते की तरह सुनाओ: समुद्र के $1\,\mathrm{kg}$ पानी का पूरे चक्कर में पीछा करो, हर दरवाज़े का नाम लेते हुए और हर पड़ाव पर उसका द्रव्यमान बताते हुए।

हल

हल — अभ्यास 39.9.

समुद्र ( $1\,\mathrm{kg}$ , द्रव) — वाष्पन — वाष्प ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — संघनन — बादल की बूँदें ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — ठोसीकरण — हिम ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — गलन — पिघला पानी ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — नदी से समुद्र ( $1\,\mathrm{kg}$ )। छह पड़ाव, और द्रव्यमान एक ही, अटल।

अभ्यास 39.10 ★★

शिकंजी का गिलास ऊपर किनारे तक भरा है और उसमें बर्फ़ के टुकड़े डोल रहे हैं। एक मेहमान को चिंता है कि बर्फ़ पिघलते ही वह छलक जाएगा। दोनों जाँच-पड़तालों (द्रव्यमान बचा रहता है, और बर्फ़ अपनी अतिरिक्त जगह लौटा देती है) से मेहमान को तसल्ली दो — या डराओ — अपने तर्क के साथ।

हल

हल — अभ्यास 39.10.

तसल्ली दो। डोलती बर्फ़ पहले ही अपने भार जितनी शिकंजी हटा चुकी है; पिघलने पर वह ठीक उतना ही पानी लौटाती है, और साथ ही उस दसवें हिस्से जितना सिकुड़ भी जाती है जितना वह फूली थी — यानी वह उसी जगह में समा जाती है जो टुकड़ा सतह के नीचे पहले से घेरे था। गिलास किनारे तक भरा रहता है और एक बूँद भी नहीं छलकती।

अभ्यास 39.11 ★★

सूखे कमरे में रात भर जमती खिड़की के शीशे पर पाले के पंख उग आते हैं, जबकि न बारिश हुई थी और न सोते समय शीशा गीला था। पानी ने कौन-सा दरवाज़ा लिया, कहाँ से आकर, और इस दरवाज़े का नाम “जमना” क्यों नहीं है?

हल

हल — अभ्यास 39.11.

गैस से सीधे ठोस वाला दरवाज़ा: कमरे की हवा की अनदेखी वाष्प जमते शीशे को छूकर सीधे बर्फ़ बना गई, और द्रव अवस्था को छोड़ गई। इसे “जमना” इसलिए नहीं कहते कि शीशे पर कोई द्रव कभी था ही नहीं — पानी सीधे वाष्प अवस्था से आया।

अभ्यास 39.12 ★★★

तालाब ऊपर से नीचे की ओर जमते हैं। पूरी शृंखला समझाओ: सबसे ठंडे पानी की बर्फ़ सतह पर क्यों बनती है और वहीं क्यों टिकी रहती है, तैरता हुआ ढक्कन नीचे की ऊष्मा के बहाव के साथ क्या करता है (पिछले साल का रोधन वाला विचार), और नीचे की मछलियाँ अपने जाड़े पानी के उस अनोखे फैलाव की क्यों ऋणी हैं।

हल

हल — अभ्यास 39.12.

तालाब अपनी सतह से जाड़े की हवा को ऊष्मा देता है, इसलिए सतह का पानी सबसे पहले $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर पहुँचता है और उसकी बर्फ़ वहीं बनती है — और वह तैरती है, क्योंकि बराबर जगह के लिए वह पानी से हल्की है, इसलिए ऊपर ही टिकी रहती है। बर्फ़ (और हिम) का यह ढक्कन एक धीमी लेन है: वह नीचे के पानी को रोधन देता है, जिसकी ऊष्मा अब बहुत धीरे-धीरे ही ऊपर रिसती है। गहरा पानी पूरे जाड़े जमने के ताप से ज़रा ऊपर बना रहता है, और मछलियाँ उस छत के नीचे तैरती हैं जो उनके अनोखे, फैलने वाले पानी ने उनके लिए बनाई है।

39.6 समस्या: दुनिया भर में एक किलोग्राम

समस्या 39.1

सप्ताहांत समस्या — समुद्र के एक किलोग्राम पानी की बड़ी यात्रा; छह दरवाज़े, तीन पहाड़, और एक अटूट बही-खाता

हम समुद्र के $1\,\mathrm{kg}$ पानी पर एक काल्पनिक लेबल चिपकाते हैं और साल भर उसका पीछा करते हैं।

भाग I — ऊपर की ओर।

जून: सूर्य समुद्र की सतह को गरम करता है और हमारा किलोग्राम अनदेखा होकर हवा में उठ जाता है। उसने कौन-सा दरवाज़ा लिया?
हमारे (अब अनदेखे) एक किलोग्राम पानी का द्रव्यमान कितना है? कौन-सी प्रतिज्ञप्ति इसकी गारंटी देती है?
$3000\,\mathrm{m}$ पर हवा ठंडी है: पानी बूँदों का बादल बन जाता है। इस दरवाज़े का नाम बताओ।
और ठंड बढ़े तो बूँदें हिमकण बन जाती हैं। उस दरवाज़े का नाम — ठोसीकरण — बताओ, और वह ताप भी जिस पर शुद्ध पानी की बादल-बूँदें जमना शुरू करती हैं।

भाग II — हिमनद का बही-खाता। हमारा किलोग्राम किसी हिमनद पर गिरता है और दबकर हिमनद की बर्फ़ बन जाता है।

पानी के रूप में हमारा किलोग्राम $1\,\mathrm{L}$ जगह घेरता था। बर्फ़ के रूप में वह लगभग कितना आयतन घेरता है?
गरमियों में हिमनद का सिरा पिघलता है। हमारा किलोग्राम पिघला हुआ पानी बन जाता है: अब उसका द्रव्यमान कितना है, और (फिर से द्रव पानी के रूप में) उसका आयतन?
पहाड़ से नीचे उतरते समय, धूप में चमकते किसी झरने के कुंड से हमारे किलोग्राम में से $250\,\mathrm{g}$ वाष्पित हो जाता है। लेबल लगा कितना पानी धारा में द्रव के रूप में आगे चलता है?
क्या वाष्पित हुआ चौथाई हिसाब से बाहर हो गया? बताओ कि उसके $250\,\mathrm{g}$ कहाँ हैं, और वे सबसे संभव किस दरवाज़े से आगे जाएँगे।

भाग III — घर वापसी, और बही-खाता बराबर।

धारा के $750\,\mathrm{g}$ अक्टूबर में समुद्र पहुँच जाते हैं। वाष्पित हुए $250\,\mathrm{g}$ अगस्त में तट पर बारिश बनकर गिरे और सितंबर में बहकर समुद्र में मिल गए। जोड़ो कि हमारे किलोग्राम में से समुद्र को कितना वापस मिला।
पूरी यात्रा में हमारा किलोग्राम कभी भी भार-रहित नहीं हुआ — पर वह दो बार अनदेखा ज़रूर हुआ। किन पड़ावों पर, और किस अवस्था में?
एक सहपाठी आपत्ति करता है: “हिम तो फूला हुआ और हल्का होता है — यानी हिम के रूप में किलोग्राम का भार कम रहा होगा।” इस साल के सही शब्द-युग्म से यह गड़बड़ी सुलझाओ।
पूरी यात्रा को दरवाज़ों की एक शृंखला के रूप में, क्रम में लिखो, और सिर्फ़ परिभाषा 39.1 के छह ठीक नामों का उपयोग करो।

हल

हल — समस्या 39.1.

1. वाष्पन (गरम सतह से वाष्पीकरण)। 2. तब भी $1\,\mathrm{kg}$ — द्रव्यमान अवस्था के बदलावों को झेल जाता है। 3. संघनन। 4. $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर। 5. लगभग $1.1\,\mathrm{L}$ । 6. द्रव्यमान $1\,\mathrm{kg}$ ; आयतन फिर से $1\,\mathrm{L}$ । 7. $1000 - 250 = 750\,\mathrm{g}$ धारा में आगे चलते हैं। 8. नहीं: वे $250\,\mathrm{g}$ वाष्प बनकर हवा पर सवार हैं, सही-सलामत; उनका सबसे संभव अगला दरवाज़ा संघनन है — पहले बादल, फिर बारिश। 9. $750 + 250 = 1000\,\mathrm{g}$ : पूरा किलोग्राम घर लौट आया। 10. दो बार अनदेखा: समुद्र छोड़ने के ठीक बाद वाष्प के रूप में, और झरने के कुंड के ऊपर फिर से वाष्प के रूप में — दोनों बार गैस अवस्था में। 11. फूला होना आयतन की बात है: हिम बर्फ़ के रवों में हवा गुँथी होने से बनता है और ख़ूब जगह घेरता है। हमारे लेबल लगे पानी का द्रव्यमान ठीक $1\,\mathrm{kg}$ बना रहा — जगह के हिसाब से हल्का होना पदार्थ के हिसाब से हल्का होना नहीं है: सही शब्द-युग्म है द्रव्यमान और आयतन। 12. वाष्पन, संघनन, ठोसीकरण, गलन — और वाष्पित हुए चौथाई के लिए: वाष्पन, संघनन (बारिश), और फिर द्रव के रूप में वापस मिल जाना। चार दरवाज़े काम आए; ऊर्ध्वपातन और गैस-से-ठोस वाले दरवाज़े की इस यात्रा में ज़रूरत नहीं पड़ी।

इस अध्याय में परिभाषित शब्द

अवस्था बदलने के छह दरवाज़े

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